JP2893402B2 - アルミニウム母合金から成るクランクケースのシリンダ面の窒化アルミニウム被覆方法 - Google Patents
アルミニウム母合金から成るクランクケースのシリンダ面の窒化アルミニウム被覆方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム母合金か
ら成るクランクケースのシリンダ面の窒化アルミニウム
被覆方法に関する。
ら成るクランクケースのシリンダ面の窒化アルミニウム
被覆方法に関する。
【０００２】静的質量及び可動質量の減少及びそれに伴
う燃料節約及び有害物質の一層の減少のために、機関製
造において、アルミニウムを主成分とする軽金属合金が
ますます使用されるようになつた。可動質量を減少する
ための例は、既にずつと以前から公知のアルミニウムピ
ストンである。静的質量を減少するための例は、アルミ
ニウム母合金から成る軽金属クランクケースの使用、例
えばダイカストで製造される共晶Ａｌ−Ｓｉ材料（例え
ばＡｌ８ＳｉＣｕ）である。
う燃料節約及び有害物質の一層の減少のために、機関製
造において、アルミニウムを主成分とする軽金属合金が
ますます使用されるようになつた。可動質量を減少する
ための例は、既にずつと以前から公知のアルミニウムピ
ストンである。静的質量を減少するための例は、アルミ
ニウム母合金から成る軽金属クランクケースの使用、例
えばダイカストで製造される共晶Ａｌ−Ｓｉ材料（例え
ばＡｌ８ＳｉＣｕ）である。
【０００３】現在シリンダライナの鋳込みをやめること
は不可能であるが、この方法はすべての点で充分満足す
べきものではない。即ち一方ではそれにより大きい重量
が生じ、他方ではアルミニウム合金に対するシリンダラ
イナの結合が、冷却液通路への熱伝達に関する敏感な移
行を示す。重大な欠陥ではシリンダライナの剥離も起こ
り得るが、これは機関の破壊をもたらす。
は不可能であるが、この方法はすべての点で充分満足す
べきものではない。即ち一方ではそれにより大きい重量
が生じ、他方ではアルミニウム合金に対するシリンダラ
イナの結合が、冷却液通路への熱伝達に関する敏感な移
行を示す。重大な欠陥ではシリンダライナの剥離も起こ
り得るが、これは機関の破壊をもたらす。
【０００４】アルミニウムクランクケースに鋳込まれる
シリンダライナを使用する際生ずることがある前記の問
題のため、シリンダライナなしクランクケースの使用が
原理的にやりがいのあることは推論できるが、これはシ
リンダ面に付加的な手段なしには実現不可能である。
シリンダライナを使用する際生ずることがある前記の問
題のため、シリンダライナなしクランクケースの使用が
原理的にやりがいのあることは推論できるが、これはシ
リンダ面に付加的な手段なしには実現不可能である。
【０００５】アルミニウム母材は、一方では例えば鉄母
合金に比較して、ピストンに対して僅かな支持抵抗を与
え、その結果圧縮、油及び燃料の消費、及び例えば連接
棒軸受の範囲における機関の一般的な長時間安定性に関
する不利な影響を伴う大きいなじみ摩耗が生じる。他方
アルミニウムクランクケース及びアルミニウムピストン
の材料対は、摩擦性質に関して最適なシステムを示さな
い。
合金に比較して、ピストンに対して僅かな支持抵抗を与
え、その結果圧縮、油及び燃料の消費、及び例えば連接
棒軸受の範囲における機関の一般的な長時間安定性に関
する不利な影響を伴う大きいなじみ摩耗が生じる。他方
アルミニウムクランクケース及びアルミニウムピストン
の材料対は、摩擦性質に関して最適なシステムを示さな
い。
【０００６】従つてアルミニウムクランクケースにおけ
るシリンダライナなしの解決策を転換するため、シリン
ダ面の表面を変更し、即ち強度の要求を満たしかつ摩擦
性質に関しても有利な値を持つ別の化学的組成の層を、
アルミニウム母材として構成することが必要になる。更
にこの層が熱伝導率に関して有利な値を持つことも要求
される。
るシリンダライナなしの解決策を転換するため、シリン
ダ面の表面を変更し、即ち強度の要求を満たしかつ摩擦
性質に関しても有利な値を持つ別の化学的組成の層を、
アルミニウム母材として構成することが必要になる。更
にこの層が熱伝導率に関して有利な値を持つことも要求
される。
【０００７】前記の必要な性質に関して、非酸化物セラ
ミツク材料なるべく窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の使用
が有利であろう。ＡｌＮはセラミツク材料の割りには比
較的高い熱伝導率を持つ硬質材料である。更にＡｌＮ−
Ａｌピストンの対に関して良好な摩擦性質が期待され
る。これに対し化合物セラミツク層例えば酸化アルミニ
ウムＡｌ２Ｏ３の構成は、材料性質のためあまり有利で
ない。更に周知のように、例えば陽極酸化により含まれ
るＡｌ２Ｏ３層は、大きい機械的交番荷重には必要な程
度に耐えず、剥離する傾向がある。特に機械的荷重負担
に関して、ＡｌＮを使用すると、少なくとも数１０×１
０−６ｍの範囲にある比較的厚い層が必要である。被覆
技術に関しかつ意図される事例を考慮して、これは高効
率被覆方法なるべく気相プラズマ法の使用を意味する。
ミツク材料なるべく窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の使用
が有利であろう。ＡｌＮはセラミツク材料の割りには比
較的高い熱伝導率を持つ硬質材料である。更にＡｌＮ−
Ａｌピストンの対に関して良好な摩擦性質が期待され
る。これに対し化合物セラミツク層例えば酸化アルミニ
ウムＡｌ２Ｏ３の構成は、材料性質のためあまり有利で
ない。更に周知のように、例えば陽極酸化により含まれ
るＡｌ２Ｏ３層は、大きい機械的交番荷重には必要な程
度に耐えず、剥離する傾向がある。特に機械的荷重負担
に関して、ＡｌＮを使用すると、少なくとも数１０×１
０−６ｍの範囲にある比較的厚い層が必要である。被覆
技術に関しかつ意図される事例を考慮して、これは高効
率被覆方法なるべく気相プラズマ法の使用を意味する。
【０００８】適当なプラズマ法における高い被覆率は、
技術的に確立されたプラズマ溶射法から公知である。こ
の場合典型的な厚層法が用いられ、粉末状で存在する被
覆材料が、大電流アーク放電のプラズマジエツト中で、
少なくとも一部溶融され、比較的大きい運動エネルギー
で部材へ被覆される。この従来のプラズマ溶射によるＡ
ｌＮ層の被覆は、原理的に可能である。しかしここで意
図されている適用事例に対しては、この方法はあまり適
していない。即ち一方では吹付けられた層の最適な定着
が行われず、他方では均質な材料が得られない。これら
両方の要因は、意図されている適用事例において存在す
る機械的交番荷重のもとでの長時間安定性に関して不利
である。更にシリンダ穴の加工のため特別な構造のプラ
ズマ溶射ヘツドが必要であるという点で、方法の実施の
際問題が生じる。
技術的に確立されたプラズマ溶射法から公知である。こ
の場合典型的な厚層法が用いられ、粉末状で存在する被
覆材料が、大電流アーク放電のプラズマジエツト中で、
少なくとも一部溶融され、比較的大きい運動エネルギー
で部材へ被覆される。この従来のプラズマ溶射によるＡ
ｌＮ層の被覆は、原理的に可能である。しかしここで意
図されている適用事例に対しては、この方法はあまり適
していない。即ち一方では吹付けられた層の最適な定着
が行われず、他方では均質な材料が得られない。これら
両方の要因は、意図されている適用事例において存在す
る機械的交番荷重のもとでの長時間安定性に関して不利
である。更にシリンダ穴の加工のため特別な構造のプラ
ズマ溶射ヘツドが必要であるという点で、方法の実施の
際問題が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従つて本発明の課題
は、シリンダ面の範囲でクランクケースのアルミニウム
母合金（例えば近共晶合金としてのＡｌＳｉ８Ｃｕ，Ａ
ｌＳｉ９Ｃｕ，ＡｌＳｉ１ ０Ｃｕ）上に、母材中に固定
的に定着しかつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る構
成の均質な層を被覆することができる方法を提供するこ
とである。更にこの方法により、例えばホーニング法に
より、所足の摺動面構造へも窒化アルミニウム層を被覆
することを可能にする。この方法は、機関製造において
使用できるだけでなく、修理の際使用される装置におい
ても使用できるようにする。
は、シリンダ面の範囲でクランクケースのアルミニウム
母合金（例えば近共晶合金としてのＡｌＳｉ８Ｃｕ，Ａ
ｌＳｉ９Ｃｕ，ＡｌＳｉ１ ０Ｃｕ）上に、母材中に固定
的に定着しかつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る構
成の均質な層を被覆することができる方法を提供するこ
とである。更にこの方法により、例えばホーニング法に
より、所足の摺動面構造へも窒化アルミニウム層を被覆
することを可能にする。この方法は、機関製造において
使用できるだけでなく、修理の際使用される装置におい
ても使用できるようにする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴によつて解決される。即ちアルミニウム母合金の表面
窒化により窒化アルミニウム被覆を行い、そのために必
要な活性化窒素を高圧プラズマ法により分子窒素から生
成する。本発明の有利な構成及び窒化アルミニウムで被
覆されるクランクケース自体は従属請求項に記載されて
いる。
徴によつて解決される。即ちアルミニウム母合金の表面
窒化により窒化アルミニウム被覆を行い、そのために必
要な活性化窒素を高圧プラズマ法により分子窒素から生
成する。本発明の有利な構成及び窒化アルミニウムで被
覆されるクランクケース自体は従属請求項に記載されて
いる。
【００１１】
【実施例】図に基いて本発明を以下に説明する。
【００１２】以下に例として説明する高圧プラズマ発生
方法は当業者に周知であり、本発明の理解にとつて必要
な限りでのみ説明される。一般のプラズマ物理の慣例に
基いて、″高圧プラズマ″は、約１ｍｂａｒ以上の動作
圧力でプラズマ状態が実現され、圧力範囲が上方へ開い
ていることを意味する。製造技術上の境界条件のため、
大気圧範囲の動作圧力が望まれるが、これは本発明によ
る方法の限定と解されるべきではない。
方法は当業者に周知であり、本発明の理解にとつて必要
な限りでのみ説明される。一般のプラズマ物理の慣例に
基いて、″高圧プラズマ″は、約１ｍｂａｒ以上の動作
圧力でプラズマ状態が実現され、圧力範囲が上方へ開い
ていることを意味する。製造技術上の境界条件のため、
大気圧範囲の動作圧力が望まれるが、これは本発明によ
る方法の限定と解されるべきではない。
【００１３】クランクケースＫＧのシリンダ面ＺＬを被
覆するため、図１に示す装置により、クランクケースＫ
Ｇのシリンダ穴Ｚ内に、マイクロ波エネルギーの供給に
より高圧プラズマが発生される。マイクロ波ビームは、
ここには示してないマグネトロンにより発生され、導波
管又は同軸ケーブルによりクランクケースＫＧへ導かれ
る。マイクロ波の供給は、技術的に既成の周波数である
０．９１５ＧＨｚ及び２．４６ＧＨｚで、結合アンテナ
ＡＴを介して行われる。これらの周波数の選択は、適当
なマイクロ波成分の幅広い利用可能性にのみ対応せしめ
られる。マイクロ波帯域における別の周波数の使用も原
理的に可能である。プラズマパラメータの大きい変化幅
を考慮して、電界ベクトルの放射状優先方向を持つ静電
界又は脈動電界の重畳も付加的に行われる。処理ガスの
供給は、シリンダ穴Ｚの端面に設けられている覆いフラ
ンジＡＦにある開口を経て行われる。
覆するため、図１に示す装置により、クランクケースＫ
Ｇのシリンダ穴Ｚ内に、マイクロ波エネルギーの供給に
より高圧プラズマが発生される。マイクロ波ビームは、
ここには示してないマグネトロンにより発生され、導波
管又は同軸ケーブルによりクランクケースＫＧへ導かれ
る。マイクロ波の供給は、技術的に既成の周波数である
０．９１５ＧＨｚ及び２．４６ＧＨｚで、結合アンテナ
ＡＴを介して行われる。これらの周波数の選択は、適当
なマイクロ波成分の幅広い利用可能性にのみ対応せしめ
られる。マイクロ波帯域における別の周波数の使用も原
理的に可能である。プラズマパラメータの大きい変化幅
を考慮して、電界ベクトルの放射状優先方向を持つ静電
界又は脈動電界の重畳も付加的に行われる。処理ガスの
供給は、シリンダ穴Ｚの端面に設けられている覆いフラ
ンジＡＦにある開口を経て行われる。
【００１４】図２の装置により、高圧プラズマがコロナ
放電又はバリヤ放電によりクランクケースのシリンダ穴
Ｚ内に発生される。シリンダ穴Ｚへ中心電極ＥＺが導入
され、図示した構成ではこの中心電極ＥＺに付加的な噴
射円板Ｓが設けられている。この噴射円板Ｓはなるべく
鋭く終る縁を持つように構成され、それにより高い電界
勾配が生じ、従つて電子に対して高い電界放出確率が生
じる。中心電極ＥＺと対向電極としてのクランクケース
ＫＧとの間には、高電圧が印加される。放電は静的にも
脈動的にも行うことができ、脈動放電はプラズマパラメ
ータの大きい変化幅を可能にする。
放電又はバリヤ放電によりクランクケースのシリンダ穴
Ｚ内に発生される。シリンダ穴Ｚへ中心電極ＥＺが導入
され、図示した構成ではこの中心電極ＥＺに付加的な噴
射円板Ｓが設けられている。この噴射円板Ｓはなるべく
鋭く終る縁を持つように構成され、それにより高い電界
勾配が生じ、従つて電子に対して高い電界放出確率が生
じる。中心電極ＥＺと対向電極としてのクランクケース
ＫＧとの間には、高電圧が印加される。放電は静的にも
脈動的にも行うことができ、脈動放電はプラズマパラメ
ータの大きい変化幅を可能にする。
【００１５】図１及び２において説明したプラズマ放電
は異なる物理的方法によつて発生されるが、その他の必
要な方法技術も同じであり、以下に説明される。
は異なる物理的方法によつて発生されるが、その他の必
要な方法技術も同じであり、以下に説明される。
【００１６】母材におけるＡｌＮ層の良好な定着のため
に、第１の方法段階で、大体においてＡｌ２Ｏ３及びＳ
ｉＯ２から成るアルミニウム母合金の天然の酸化物被覆
層がまず除去される。そのためこの場合水素を使用して
還元ガス−固体方法が使用される。これに関し注意すべ
きことは、分子水素により、化学−熱力学的制限のた
め、酸化が不可能なことである。むしろこのためには原
子水素が必要であり、この原子水素は分子水素から充分
なエネルギーのプラズマ放電により生成することができ
る。この反応は次のように示される。 ３Ｈ２＝６Ｈ（プラズマ反応） （１） Ａｌ２Ｏ３＋６Ｈ＝２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ （２） 分子水素は、純粋なガスとして又は水素含有動作ガスの
形で、例えば化成ガス（可変な水素含有の窒素、通常は
約７０〜９５％のＮ２、残部はＨ２）として使用するこ
とができる。
に、第１の方法段階で、大体においてＡｌ２Ｏ３及びＳ
ｉＯ２から成るアルミニウム母合金の天然の酸化物被覆
層がまず除去される。そのためこの場合水素を使用して
還元ガス−固体方法が使用される。これに関し注意すべ
きことは、分子水素により、化学−熱力学的制限のた
め、酸化が不可能なことである。むしろこのためには原
子水素が必要であり、この原子水素は分子水素から充分
なエネルギーのプラズマ放電により生成することができ
る。この反応は次のように示される。 ３Ｈ２＝６Ｈ（プラズマ反応） （１） Ａｌ２Ｏ３＋６Ｈ＝２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ （２） 分子水素は、純粋なガスとして又は水素含有動作ガスの
形で、例えば化成ガス（可変な水素含有の窒素、通常は
約７０〜９５％のＮ２、残部はＨ２）として使用するこ
とができる。
【００１７】天然の酸化物層の除去により、窒化に関す
る母材の反応性が高められるか、又はそれにより窒化が
始めて可能になる。これに関して母材の窒化は、ＡｌＮ
及びＳｉ３Ｎ４から成る理論比の混合物の母材表面にお
ける形成を意味する。この表面窒化は、場合によつては
天然の酸化物層の除去を行つた後、処理ガスとしての純
窒素へ移行することによつて行われる。充分大きいプラ
ズマエネルギーを前提として、活性化された窒素が得ら
れ、この活性化された窒素は、窒素原子及び特に電子的
に励起された窒素分子を意味する。 ２Ｎ２＝２Ｎ （３） Ｎ２＝（Ｎ２）＊ （４） 活性化された窒索は、活性化されない分子窒素の場合よ
り、母材への著しく高い拡散確率を持つている。その結
果母材の表面における窒化物形成に関する反応性が高め
られる。ＡｌＮ層表面の層厚は５〜２０・１０−６ｍで
ある。
る母材の反応性が高められるか、又はそれにより窒化が
始めて可能になる。これに関して母材の窒化は、ＡｌＮ
及びＳｉ３Ｎ４から成る理論比の混合物の母材表面にお
ける形成を意味する。この表面窒化は、場合によつては
天然の酸化物層の除去を行つた後、処理ガスとしての純
窒素へ移行することによつて行われる。充分大きいプラ
ズマエネルギーを前提として、活性化された窒素が得ら
れ、この活性化された窒素は、窒素原子及び特に電子的
に励起された窒素分子を意味する。 ２Ｎ２＝２Ｎ （３） Ｎ２＝（Ｎ２）＊ （４） 活性化された窒索は、活性化されない分子窒素の場合よ
り、母材への著しく高い拡散確率を持つている。その結
果母材の表面における窒化物形成に関する反応性が高め
られる。ＡｌＮ層表面の層厚は５〜２０・１０−６ｍで
ある。
【００１８】表面窒化物層の厚さが充分大きくない使用
事例では、別の方法段階で純ＡｌＮ層を表面窒化物層上
に設けることができる。純ＡｌＮ層の層厚は約５〜１０
・−６ｍである。
事例では、別の方法段階で純ＡｌＮ層を表面窒化物層上
に設けることができる。純ＡｌＮ層の層厚は約５〜１０
・−６ｍである。
【００１９】反応性成分の活性化は、反応性高圧プラズ
マ法で行われる。そのため窒化過程の純窒素に、ＡｌＮ
形成に関して最大で理論比までの濃度のアルミニウム含
有処理ガスが添加される。例はトリメチルアルミニウム
の使用である。同様に固体の昇華により気相で得られる
塩化アルミニウムの使用も可能である。両方の場合水素
の添加により反応確率を高めることができる。対応する
反応は次の通りである。 及び
マ法で行われる。そのため窒化過程の純窒素に、ＡｌＮ
形成に関して最大で理論比までの濃度のアルミニウム含
有処理ガスが添加される。例はトリメチルアルミニウム
の使用である。同様に固体の昇華により気相で得られる
塩化アルミニウムの使用も可能である。両方の場合水素
の添加により反応確率を高めることができる。対応する
反応は次の通りである。 及び
【図１】マイクロ波プラズマ放電によりクランクケース
のシリンダ面を被覆する装置の構成図である。
のシリンダ面を被覆する装置の構成図である。
【図２】コロナ放電又はバリヤ放電によるクランクケー
スのシリンダ面を被覆する装置の構成図である。
スのシリンダ面を被覆する装置の構成図である。
ＡＴ マイクロ波結合アンテナ ＫＧ クランクケース Ｚ シリンダ穴 ＺＬ シリンダ面
フロントページの続き (72)発明者 テオドール・シユタネフ ドイツ連邦共和国ベルマテインゲン・ヴ アイエルシユトラーセ12 (72)発明者 アクセル・ホイベルゲル ドイツ連邦共和国ヴイルトベルク−ギユ ルトリンゲン・レスネルシユトラーセ27 (56)参考文献 特開 平６−10757（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−319665（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−109951（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 8/36,16/34 F02F 1/00
Claims (8)
- 【請求項１】 アルミニウム母合金の表面窒化により窒
化アルミニウム被覆を行い、そのために必要な活性化窒
素を高圧プラズマ法により分子窒素から生成することを
特徴とする、アルミニウム母合金から成るクランクケー
ス（ＫＧ）のシリンダ面（ＺＬ）の窒化アルミニウム被
覆方法。 - 【請求項２】 表面窒化アルミニウム層へ、窒素及びア
ルミニウムのガス状化合物及び場合によつては水素を使
用して反応性高圧プラズマ法により、付加的な窒化アル
ミニウム層を析出することを特徴とする、請求項１に記
載の方法。 - 【請求項３】 ガス状アルミニウム化合物が塩化アルミ
ニウム又はトリメチルアルミニウムであることを特徴と
する、請求項２に記載の方法。 - 【請求項４】 表面窒化の前に、アルミニウム母合金の
天然酸化物層を、還元ガス固体プロセスにより原子水素
を関与させて除去し、その際高圧プラズマ法により分子
水素又は水素のガス状化合物から原子水素を生成するこ
とを特徴とする、請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 静的又は脈動コロナ放電又はバリヤ放電
により高圧プラズマを発生することを特徴とする、請求
項１ないし４の１つに記載の方法。 - 【請求項６】 アンテナ（ＡＴ）によるマイクロ波の供
給により高圧プラズマを発生することを特徴とする、請
求項１ないし５の１つに記載の方法。 - 【請求項７】 アンテナ軸線に対して直角に放射方向
へ、静電界又は交番電界をマイクロ波電磁界に重畳する
ことを特徴とする、請求項１ないし６の１つに記載の方
法。 - 【請求項８】 クランクケースのシリンダ面が窒化アル
ミニウム被覆を持つていることを特徴とする、アルミニ
ウム母合金から成るクランクケース。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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